薄膜材料制备的PVD法

薄膜材料制备的物理气相沉积法（physicalvapordeposition，PVD),PVD方法,原理：利用物质在高温下的蒸发现象,真空蒸镀Vacuumevaporation,真空蒸镀,Vacuumevaporation,1）电阻加热电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。使用的材料有：Al、W、Mo、Nb、Ta及石墨等。2）电子束加热利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击待蒸发的材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底材料表面。3）高频感应加热高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内置材料升温，熔化成膜。4）电弧加热高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，移动阳电极尖端与阴极接触，阴极局部熔化发射热电子，再分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。5）激光加热非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料气化成膜。常用CO2、Ar、YAG钕玻璃，红宝石等大功率激光器。,真空蒸镀,闪蒸蒸镀法,Vacuumevaporation,真空蒸镀,多源蒸镀法,组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。,反应蒸镀法,例如：在空气或氧气中蒸发Si来制备SiO2薄膜；在氮气气氛中蒸发Zr制备ZrN薄膜；,Vacuumevaporation,真空蒸镀,分子束外延法,例如:GaAsP半导体薄膜的制备,适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的导电膜、光学镜头用增透膜。蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。镀纯金属时速度快，多用来（90%）制备铝膜。铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。,Vacuumevaporation,溅射镀膜Vacuumsputtering,产生：气体放电：电子与气体分子发生碰撞，产生等离子体维持：等离子体中的离子与其他气体分子继续碰撞,溅射镀膜,过程图,Vacuumsputtering,溅射的过程,溅射镀膜,Vacuumsputtering,溅射方法,靶材为阴极基片置于阳极极间电压1-2KV真空度1-几百Pa放电气体：Ar只适用于导体,直流溅射镀膜,溅射镀膜,与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。,等离子束缚在靶表面电子作旋进运动，使原子电离机会增加，能量耗尽后落在阳极，基片温升低、损伤小,磁场之作用：,磁控溅射镀膜,Vacuumsputtering,常用直流磁控溅射可做铝薄膜、TiO2膜,溅射镀膜,高频溅射镀膜,采用高频电压绝缘体靶表面上的离子和电子的交互作用，靶表面不会积累正电荷，可以维持辉光放电,Vacuumsputtering,活性气体混入放电气体中可以控制膜的组成和性质,反应溅射镀膜,溅射镀膜,采用Cr、Cr-CrN等合金靶，在N2、CH4等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr（425-840HV）、CrC、CrN（1000-3500HV），可代替电镀Cr。用TiC、TiN等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小、化学稳定性好，具优良的耐磨、耐热、抗氧化、抗冲蚀，在提高其工件特性的同时，大幅度提高寿命，一般可达3-10倍。用TiC、TiN，Al2O3具有良好的耐蚀性。可制取优异的固体润滑膜MoS2.可制备聚四氟乙烯膜。待镀材料，只要能做成靶材，就可溅射,Vacuumsputtering,真空条件下，利用气体放电使气体或蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或在其反应物淀积在基片上。,离子镀膜Ionplating,离子镀的目的：提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。,离子镀膜,（1）空心阴极离子镀（HCD）,国内外常见的设备类型,HCD法利用空心热阴极的弧光放电产生等离子体（空心钽管为阴极，辅助阳极）镀料是阳极弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化而实现蒸镀蒸镀时基片上加负偏压即可从等离子体中吸引Ar离子向基片轰击，实现离子镀,Ionplating,（2）多弧离子镀,多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电仅仅在靶材表面的一个或几个密集的弧斑处进行。,特点：直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。,离子镀膜,（3）离子束辅助沉积,低能的离子束1用于轰击靶材，使靶材原子溅射并沉积在基底上；离子束2起轰击（注入）作用，同时，可在室温或近似室温下合成具有良好性能的合金、化合物、特种膜层，以满足对材料表面改性的需要。,Ionplating,装饰镀膜：颜色多样，美观耐用,工具镀膜：提高表面硬度，减少磨损,特点,离子镀膜,零件镀膜：（1）机械零件镀TiN镀膜层（2）电气零件在金属材料上镀SiO2，Al2O3等，用于制作各种电工零件和电